重型柴油車滿足近零排放法規的技術探析

陳曦 邸少偉

摘 要：隨著社會經濟水平的不斷提升與發展，人們對質量的要求也在逐漸的提升，污染空氣質量的主要來源就是汽車尾氣的排放，重型柴油車的近零排放標準是指，重型柴油車尾氣排放中含有的碳氫、氮氧化物與顆粒物等對大氣造成的污染基本可以忽略不計。本文主要針對重型柴油車的排放處理進行相關的分析，重型柴油車通過缸內凈化和高效尾氣后處理技術結合的方式降低尾氣污染物排放量，使其達到近零排放技術的要求。

關鍵詞：重型柴油車;零排放;缸內凈化;后處理技術

1 重型柴油車概述

柴油車的發動機是活塞式的內燃機，其碳氫化合物與一氧化碳的排放量都要比汽油機低，其熱效率十分高，能量的轉化效率十分高，節能效果非常好，也正是因為柴油機的這一優勢，大部分的重型載貨車輛都是使用的柴油發動機。在歐洲國家，使用柴油發動機的轎車數量十分多，并且其數量也在不斷的上升。在柴油車不斷普及與車輛排放控制標準越來越嚴格的環境下，柴油機所面臨的挑戰也是十分巨大的。柴油機是通過機制調節的方式形成混合氣體，通過氣體擴散的方式燃燒，這一燃燒方式決定了柴油機的污染物排放特點：柴油機的排放氣體中含有較高的氮氧化合物，顆粒物等。有相關的研究結果顯示，如果柴油車行駛一百公里，柴油消耗量為22升，那么柴油機的有效效率為百分之四十左右，計算得知發動機每公里的輸出功率為0.86千瓦時，那么對應的氮氧化合物含量大致在每公里0.40克左右。為了降低柴油車尾氣排放的污染，大量的學者開始研究柴油機的凈化技術，目前研究的柴油車尾氣控制技術主要有機內凈化技術，尾氣后處理技術等。

2 重型柴油車的機內凈化技術分析

機內凈化技術的主要措施是使用比較先進的燃油噴射系統，比如高壓共軌系統、單體噴油泵等，使噴油的壓力增強，從而達到降低顆粒物排放的目的;運用比較先進的電控技術來對噴油量、噴油速度等進行優化控制;對柴油機燃燒室內部結構進行改造，提高燃燒效率;必要情況下還可以采用EGR方式控制氮氧化合物的排放量。柴油車尾氣排放控制的主要對象就是為其中氮氧化合物與顆粒物的含量，氮氧化合物需要在缸內高溫并且氧氣富足的情況下才能產生。顆粒物主要是由于缸內的燃油與空氣之間混合度不足所導致的，在燃油濃度過高的區域受到高溫缺氧作用的影響所形成的。由此我們可以知道，氮氧化合物與顆粒物之間的排放關系是呈此消彼長狀態的。所以，我們需要通過高低壓廢棄再循環與兩級增壓方式綜合的策略的提高EGR率，有效降低柴油燃燒的溫度，減小少氮氧化合物的排放;通過提高柴油噴射壓力，加快缸內氣體流動的方式來使柴油與氧氣充分混合，降低顆粒物的排放含量。

2.1 EGR技術

EGR系統是根據廢氣提取位置的差異來區分高壓與低壓。高壓EGR是在廢氣進入到渦輪之前提取出來的，在渦輪之前排放出來的廢氣壓力要比壓氣機后進氣的廢氣壓力要大一些，因此會很容易將廢氣引入。可以通過在進氣管中安裝一個節氣門的方式使其壓力產生改變，通過控制節氣門的方式來對進氣的壓力進行調整，將廢氣引入到節氣門的后部;低壓EGR也就是從渦輪后部將廢氣取出，然后再將其引入到壓氣機的前端，渦輪后的廢氣壓力要比大氣壓力要高一些，在壓氣機之前進入的廢氣其壓力都是負壓，因此可以將其引入。

有關實驗表明：在相同的稀釋比例之下，采用低壓EGR處理方式，會導致廢氣中通過后尾氣處理裝置的顆粒物含量增加。但是低壓EGR處理方式不會對增壓器的工作性能產生影響。

2.2 兩極增壓技術

渦輪增壓技術可以有效帶走柴油機排氣中的余熱，通過渦輪回收的原理，將壓氣機驅動，吸入新鮮空氣，提高發動機氣體進入的速度，得到提高噴油速度的目的。渦輪增壓技術可以在更高的EGRKV之下使用，可以有效控制二氧化氮氣體的排放。為了能夠是重型柴油車滿足日益嚴格的尾氣排放標準，越來越多的柴油缸內凈化技術大量引入了EGR系統的使用，這使得渦輪的增壓能力來說是一個不小的挑戰。兩極增壓技術的使用，可以有效實現增壓比例的提升，可以滿足更大比例的EGR系統的使用。兩極增壓系統的示意圖如圖1所示。

2.3 高效油氣混合技術

油氣混合效率的高低是決定缸內碳煙生成數量多少的重要標準，油氣混合效率的增加方法有兩種：第一種是提高燃油的噴射壓力，燃油的噴射速度加快了，燃油與氣體之間的混合效率就可以得到有效的提升，碳煙的生成量自然也就減少了。另一種就是對燃燒室的結構進行優化，利用缸內氣流的流動速度來促進燃燒效率，使燃油充分燃燒，減少碳煙排放量。

2.4 新型燃燒方式

燃燒過程中混合氣的濃度比例與溫度條件對采油氣廢氣排放中碳煙與二氧化氮含量的影響十分大，新型的燃燒模式可以有效減少缸內有害氣體與物質的生成。柴油的揮發性比較差，因此很難制備出質量均勻的混合油氣，所以人們就對燃燒的方式進行了進一步的研究，開發出了預混充量的壓燃模式，簡稱PCCI模式，不是關注油氣混合的均勻程度，而是通過將濃度與溫度分層混合燃燒的方式實現燃油的充分燃燒，達到控制減少碳煙與有害氣體產生的目的。

3 重型柴油車尾氣后處理技術

3.1 針對二氧化氮的尾氣排放后處理技術

低溫高效的SCR催化技術。該技術主要是將同銅鐵復合分子作為催化劑材料，銅分子篩催化劑的氧化特定十分好，可以將一氧化氮轉化為二氧化氮氣體，然后再對其進一步的優化，并且該方式在低溫條件下的轉化效率也十分高，但是銅分子篩在高溫的條件下，將氨氣氧化，二氧化氮的高溫轉化效率會被大大降低。鐵分子篩催化劑在低溫條件之下，其性能比較差，高溫條件下，其性能比較好。可以在銅分子篩催化劑的前端涂上一層鐵分子篩催化劑，就可以是這兩者的性能得以綜合利用。

被動NOx吸附技術。被動NOx吸附（PNA）技術能夠在相對低的排氣溫度下吸附NOx而在高的排氣溫度（超過SCR起燃溫度）下，釋放被吸附的NOx。PNA還可以將NO氧化成NO2，用于提高SCR對NO，的轉化效率，以及催化型顆粒捕集器（catalyzed diesel particulate filter， CDPF）對顆粒物的再生效率。PNA也能夠在較低的溫度氧化排氣中的CO和HC。

3.2 針對PM的尾氣排放后處理技術

柴油機顆粒捕集器（diesel particulate filter， DPF）是降低PM排放最常用的后處理裝置，主體部分是過濾載體，主要分為陶瓷基和金屬基兩大類。陶瓷基DPF載體材料有堇青石（cordierite）、碳化硅（SiC）、莫來石（mullite，多鋁紅柱石）、莫來石/氧化鋯等。金屬基DPF載體材料有燒結金屬式、泡沫金屬、金屬絲網等。董青石導熱性差、熔點低，但成本較低，主要應用于重型柴油機DPF。DPF 的過濾效率取決于過濾載體孔徑以及顆粒物的成分，一般DPF的顆粒物質量（PM）過濾效率可以達到85%以上，而顆粒物數量（PN）的過濾效率一般超過99%。

4 結束語

為了使重型柴油車尾氣的排放標準達到近零要求，我們在實驗機內凈化方式進行處理的同時還應該結合柴油車后處理技術的使用，有效提高尾氣排放控制的水平，促進零排放標準的達到。

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